基于VISSIM仿真的环形交叉口改善方案研究

康雅玲, 连培昆, 郑似月, 江政毅, 岳小泉

(福建农林大学 交通与土木工程学院， 福州 350002)

0 引言

环形交叉口作为早期交通要道，具有车流通行连续、交通组织简便等特点，但随着经济的发展和城市化建设的加快，城市路网交通量日益增大，传统的环形交叉口通行能力越发不能满足日益增长的交通需求，环形交叉口的交通拥堵问题也日趋恶化. 由于环岛中交通交织面积过大，加上导流渠化设计不够精细，使得交织情况更为复杂，无信号控制的环形交叉口内的通行车辆与驶入交叉口的车辆在交织区形成冲突车流，车辆将产生更大的排队长度和更多的交叉口延误等问题. 对环形交叉口进行渠化或设置信号控制是改善该状况的常用解决方法[1].

梁雪琴[2]对无信号环形交叉口提出了提高通行能力的渠化方案和信号控制方案，并利用VISSIM仿真软件对不同方案进行对比评价；李天祥[3]分析了我国交通环岛存在的问题，对比了现代环形交叉口与其他交叉口的优劣，提出了环形交叉口需要解决的问题；王波等[4]根据现状环岛存在的问题，提出优化方案，并运用VISSIM仿真软件进行方案评价与验证，得出最优方案；周丹[5]在分析对城市郊区环形交叉口存在的问题的基础上，提出改造方案，并将改造前后的通行能力进行对比分析；王秉通等[6]以唐山市卫国路与建华西道交叉口为例，使用仿真软件VISSIM进行畸形交叉口信号配时方案优化，并对优化方案进行仿真验证与评价.

借鉴上述研究成果，本文以福州市马尾区君竹环岛为例，以减少交通冲突、提高通行能力以及减少工程造价为主要出发点，提出优化方案，运用VISSIM仿真软件对现状和方案进行仿真模拟及方案对比评价，确定出推荐方案.

1 交叉口现状及存在问题分析

1.1 现状及问题

君竹环岛是福州市马尾区一处重要的进出交通枢纽，是马尾老城区通往福州城区、连江、长乐、宁德等地区的重要交通节点，是一个五路交叉的畸形交叉口，平面构型复杂，进口道包括君竹路、青洲路、G104国道、沈海高速、福马路，其中心岛直径为36 m，车道数为3车道，属于常规环形交叉口，君竹环岛平面图见图1.

图1 君竹环岛平面图

君竹环岛现状采用环岛组织交通，各进口道均为无信号控制，车辆交织现象严重，通行较为混乱、无序. 该交叉口大货车比例较大，车速缓慢，绕环岛行驶加剧交通冲突，对整体交通流影响较大，极易造成拥堵，存在较大安全隐患. 同时，随着马尾区经济社会的日益发展，周边路网的逐步完善，交通流量的不断增长，君竹环岛交通拥堵现象愈发突出；高峰期间，随着交叉口到达流量的增加，交通冲突也增加. 君竹环岛路口交通现状见图2，交通流特性见表1.

图2 君竹环岛交通现状

1.2 问题产生的原因

1)环形交叉口的先天性缺陷：环形交叉口的通行能力瓶颈在环岛内的交织区域，根据《公路通行能力手册》中环形交叉口的通行能力计算方法[7]：

表1 君竹环岛交通流特性

式中,C为双环行车道交叉口通行能力，pcu/h；Cw为双环形车道交叉口中交织区通行能力，pcu/h，通常取1 700 pcu/h；p1为各进口的左转车比例之和；pr为各进口的左转车比例之和.

2)货车影响：大货车在环岛区域内的合流、交织和分流行为较小汽车困难，当大货车占比较高时，环岛区域内的冲突交织将进一步加剧，环形交叉口的通行能力将急剧下降.

3)非机动车管理：部分非机动车违规从机动车道通行，由此造成环岛区域内的各种车辆混行，环岛区域内的冲突交织将进一步加剧，环形交叉口的通行能力将明显下降.

2 方案设计

2.1 设计思路

首先对交叉口现状进行系统的调查，收集大量有关该交叉口的基础资料和信息；其次，对交叉口的几何现状、交通通行能力等进行分析；然后根据交叉口现有几何条件，相交道路功能等级以及交通流运行情况等制定出针对该问题的解决对策、实施方案并分析结果. 由于立交桥占地面积大、施工周期长、造价较高以及对下游交叉口的影响较大等特点，为节约成本，减少工程耗费，尽可能不去形成立交，所以主要通过2种方式进行方案设计：①交叉口渠化；②设置信号控制. 其中信号配时方案采用韦伯斯特改进算法进行计算，通过最小延误时间计算信号配时，以车辆延误为基础计算周期时长，最佳周期见式(1)[8]：

(1)

式中，L为相位总损失时间；Y为交叉口交通流量比；K为停车修正系数.

2.2 解决对策

1)设置交通信号灯，并设置停车线、车道转向标线、车道转向标志等配套标志标线，从时间上分离冲突交通流，提高交通安全，减少交通拥堵.

2)拆除环岛，改为平面交叉口，并进行相应的进口道拓宽和交叉口渠化，从而免去车辆绕行环岛距离，大幅度地提高交叉口的通行能力，从根本上解决交通拥堵问题.

3)加强非机动车和行人管理，减少交通混行冲突.

4)禁止大货车在该交叉口内通行，但该措施将增大货车绕行距离，对周边工厂企业产生一定影响，其方案的可行性需要与交警部门进行详细论证.

2.3 设计方案

依据解决对策，从提高交叉口通行能力，减少交通拥堵，提高交通安全的角度出发，提出以下5种改造方案：

2.3.1 保留环岛，局部灯控

保留环岛组织形式，在局部进口道增设信号灯，控制车辆分时进入环岛通行. 3处进口道(君竹路、青洲路、104国道)增设交通信号控制，沈海高速下匝道、福马路下匝道无控制，方案示意见图3.

图3 方案1仿真示意图

信号控制采用3相位，3个进口道依次轮放. 第1相位为君竹路进口道通行，第2相位为青洲路进口道通行，第3相位为104国道进口道通行. 具体配时方案根据实际详细的交通调查和利用韦伯斯特配时法进行精确的交通信号配时设计.

优点：相比现状，减少环岛内交通冲突数，提高环岛通行能力；增加3个进口道信号控制和相配套的交通设施，较少工程改造，造价较低.

缺点：沈海高速下匝道、福马路下匝道车辆未受控，仍存在一定数量的冲突；君竹路进口道交通量较大，信号控制后会产生较长排队现象.

2.3.2 保留环岛，全部灯控

保留环岛，全入口增设信号灯控制，方案示意见图4. 增加5个进口道信号控制和相配套的交通设施，较少工程改造，造价不高.

图4 方案2仿真示意图

信号灯采用4相位，1相位为君竹路进口道、2相位为沈海高速下匝道、3相位为福马路下匝道(三环下来)、4相位为青洲路与104国道进口道. 具体配时方案根据实际详细的交通调查和利用韦伯斯特配时法精确的交通信号配时设计.

优点：减少了环岛内交通冲突数，减少了交通事故的发生，通行能力有较大改善；增加5个进口道信号控制和相配套的交通设施，造价不高.

缺点：当福马路下匝道和沈海高速下匝道交通量较大的极端状况发生时，排队长度过长，容易溢流影响上游主线交通流，5个进口道的信号配时方案需要详细的交通调查和精确的交通信号配时设计，防止排队溢出.

2.3.3 拆除环岛，平面交叉口多方案定时式灯控

拆除环岛，改造为平面4路信号控制交叉口. 停车线可适当前移，缩小交叉口规模. 为配合灯控配时设计，福马路下匝道应禁止左转进入104国道，沈海高速下匝道应禁止右转进入君竹路，沈海高速下匝道与福马路下匝道(三环下来)相位合并控制. 交通设计时，青洲路进口道应增加一条车道，君竹路应力争增设一条进口道，方案示意见图5.

图5 方案3仿真示意图

交通信号采用多方案定时式4相位信号控制，1相位为君竹路进口道、2相位为青洲路进口道、3相位为沈海高速下匝道与福马路下匝道、4相位为104国道进口道. 具体配时方案根据实际详细的交通调查和利用韦伯斯特配时法精确的交通信号配时设计.

优点：改为平面交叉口，大大地减少了交通事故的发生，解决环岛通行能力瓶颈的问题，整个交叉口通行能力能显著提升；免去车辆绕行环岛距离.

缺点：需拆除环岛进行工程改造，费用较高；福马路下匝道和沈海高速下匝道在红灯期间可能会发生排队溢出，需要精细的交通信号配时设计.

2.3.4 拆除环岛，平面交叉口自适应灯控

在方案3拆除环岛改造为平面信控路口基础上，对信号控制方案进行提升，将多方案定时式信号升级为自适应信号控制模式. 感应线圈分别铺设于各个进口道各条车道停止线前，此外在福马路下匝道(三环下来)进口道上游端口、沈海高速下匝道上游端口2处也铺设感应线圈，用于采集排队信息，防止排队过长而溢流影响上游主路，方案示意见图6. (停止线前蓝色线为检测器，红色线为信号灯停止线).

图6 方案4仿真示意图

交通信号采用4相位，1相位为君竹路进口道、2相位为青洲路进口道、3相位为沈海高速下匝道与福马路下匝道(三环下来)、4相位为104国道进口道. 与方案3不同，具体配时方案采用感应线圈采集交通量信息，通过自适应信号控制系统，精确的交通信号配时设计调整配时方案.

优点：改为平面交叉口，解决环岛冲突问题；大大地减少了交通事故的发生，提升了整个交叉口通行能力；免去环岛绕行距离；自适应信号控制系统能依据实际交通量调整配时方案，减少排队时间与绿时损失，相比方案3，更能适应交通流的动态变化.

缺点：自适应控制系统成本造价较高，后期需要持续的相应维护费用.

2.3.5 禁止大货通行效果

大货车的通行对该环岛交通影响极大. 通过仿真，环岛在禁止大货车通行后通行能力较现状提升25.56%. 但禁止大货车通行将增大车辆绕行距离，对周边工厂企业产生一定影响.

各方案周期(C)、各方案各相位绿信比(λ)见表2.

表2 各方案周期、各相位绿信比

3 仿真实验

3.1 实验方案

根据对交叉口各进口道的交通量调查，利用韦伯斯特配时法[7]进行信号配时计算，运用VISSIM软件进行仿真验证，输出交通评价指标，并与现状交叉口仿真数据进行对比分析[9]. 各方案采用晚高峰交通量数据进行仿真.

3.2 实验结果

各方案的仿真结果及造价匡算如下表所示，其中，方案1～4仿真评价指标均在未禁止大货车通行的条件下获得.

从实验结果表明5种方案均能在一定程度上减少环岛内车流冲突，提高通行能力；方案3、方案4的通行能力提升明显优于方案1、方案2，改善程度达到110%以上，但方案4的工程改造量较大，费用较高，同时该方案增设自适应信号控制系统，后期设备维护的难度加大；方案2的通行能力提升了35.10%，提升程度较方案1高，且只需进行较少的工程改造便可实现改善效果. 综合考虑改善效果与改造成本，推荐方案2和方案3为较优方案.

表3 方案仿真效果对比表

4 结论

本文以福州市马尾区君竹环岛交叉口为研究对象，提出5种交叉口改善方案，同时利用VISSIM仿真软件进行改善效果验证，并依据仿真结果及对应方案的改造成本，推荐方案2和方案3为较优方案. 其中，推荐方案2在造价为325.8万元的情况下，通行能力提升了31.5%；推荐方案3在造价5 614万元的情况下，通行能力提升了113.1%.